河海/浙海大/北理工合作AM：垂直微流道生物質(zhì)氣凝膠實(shí)現(xiàn)高效太陽能大氣集水

淡水資源短缺已成為全球性挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)水源日益緊張，而海水淡化等技術(shù)又面臨高能耗與高成本的限制。大氣中蘊(yùn)藏著豐富的水分，是一種可持續(xù)的淡水來源。早期的大氣集水技術(shù)如霧收集、露水凝結(jié)等，或依賴高濕環(huán)境，或能耗較高。近年來，基于吸附-解吸的太陽能大氣集水技術(shù)備受關(guān)注，但其性能很大程度上受限于吸濕材料內(nèi)部無序的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蒸汽擴(kuò)散和熱傳遞效率低下，吸附動(dòng)力學(xué)緩慢，解吸能耗高。

近日，河海大學(xué)李政通、浙江海洋大學(xué)徐興濤教授、周英棠教授和北京理工大學(xué)安盟研究員合作，提出了一種新型生物質(zhì)基吸濕氣凝膠，通過定向冷凍干燥技術(shù)構(gòu)建了垂直排列的微流道結(jié)構(gòu)。該各向異性結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)水分定向垂直傳輸，并結(jié)合徑向擴(kuò)散進(jìn)入次級孔隙，有效降低了蒸汽傳輸?shù)膹澢龋瑫r(shí)提升了水結(jié)合能力。該氣凝膠在80%相對濕度下吸水率達(dá)3.18 g g?1，在30%相對濕度下6小時(shí)內(nèi)吸附速率達(dá)0.25 g g?1。經(jīng)光熱墨水表面改性后，在1個(gè)太陽輻照下，蒸發(fā)速率提升至2.89 kg m?2 h?1，解吸率達(dá)76.63%。戶外實(shí)測顯示，其日產(chǎn)量可達(dá)1.51 L m?2 day?1。蒙脫士的加入還顯著增強(qiáng)了氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。該研究為優(yōu)化吸濕材料內(nèi)部流體與熱動(dòng)力學(xué)提供了結(jié)構(gòu)工程策略，為缺水地區(qū)的可持續(xù)淡水供應(yīng)提供了可擴(kuò)展且節(jié)能的路徑。相關(guān)論文以“Anisotropic Biomass Microfluidics via Directed Moisture Transport and Enhanced Water-Binding Capacity for High-Yield Solar-driven Atmospheric Water Harvesting”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)通過定向冷凍干燥法制備了具有垂直排列微流道結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)基吸濕氣凝膠。圖1展示了其制備過程及吸附過程中的水汽傳輸機(jī)制示意圖。不同于傳統(tǒng)無序孔道結(jié)構(gòu)，這種有序的垂直主孔道實(shí)現(xiàn)了水汽的快速傳輸，而側(cè)向微孔則利于水分儲存，層級化的孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量與熱量的緊密耦合，從而優(yōu)化了傳質(zhì)傳熱效率。

圖1 | BHA制備示意圖及吸附過程中的蒸汽/水傳輸機(jī)制。 兩種蒸汽/水傳輸路徑，包括（i）無序孔道和（ii）有序孔道。

通過掃描電鏡和激光顯微鏡對材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征（圖2），結(jié)果顯示所有氣凝膠均呈現(xiàn)出垂直排列的通道結(jié)構(gòu)。隨著吸濕鹽LiCl含量的增加，孔隙尺寸和連通性發(fā)生規(guī)律性變化。傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射和X射線光電子能譜分析證實(shí)了LiCl的成功負(fù)載及其在吸附過程中的關(guān)鍵作用。材料表現(xiàn)出優(yōu)異的親水性，接觸角可在短時(shí)間內(nèi)降至0°。力學(xué)測試表明，添加蒙脫士顯著提升了氣凝膠的彈性模量和抗壓性能。

圖2 | （a）BHA橫截面的SEM圖像。（b）BHA縱截面的SEM圖像。（c）BHA的激光顯微鏡圖像。（d）BHA的FTIR光譜。（e）BHA的XRD光譜。（f）BHA的XPS光譜。

圖3展示了氣凝膠在不同濕度下的吸附動(dòng)力學(xué)性能。隨著LiCl含量增加，吸水能力顯著提升，其中BHA-213表現(xiàn)最優(yōu)，在80%相對濕度下吸水率達(dá)3.18 g g?1，優(yōu)于許多已報(bào)道的吸濕材料。吸附動(dòng)力學(xué)模型分析表明，其吸附過程同時(shí)涉及物理與化學(xué)吸附。

圖3 | （a–e）BHA在不同相對濕度條件下的吸附動(dòng)力學(xué)。（f）BHA-213與已報(bào)道吸濕材料吸水能力的比較。（g）不同結(jié)構(gòu)氣凝膠在不同相對濕度下的吸水分布。

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，研究團(tuán)隊(duì)通過有限元模擬和分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行了分析（圖4）。模擬結(jié)果表明，與無序結(jié)構(gòu)相比，有序垂直孔道結(jié)構(gòu)能顯著降低蒸汽擴(kuò)散阻力，增加水分子與材料表面的氫鍵數(shù)量和吸附能，從而加速吸附動(dòng)力學(xué)。小孔徑結(jié)構(gòu)因其更高的比表面積和限域效應(yīng)，表現(xiàn)出更強(qiáng)的水結(jié)合能力。

圖4 | （a）不同彎曲度因子結(jié)構(gòu)的分子動(dòng)力學(xué)模型。（b）MD模擬得到的純水在有序和無序結(jié)構(gòu)表面的吸附過程快照。紅、粉、藍(lán)、黃球分別代表O、H、N、C原子。（c）水吸附過程中的氫鍵數(shù)量。（d）水吸附過程中的平均氫鍵數(shù)量和吸附能。

在太陽能驅(qū)動(dòng)解吸方面，如圖5所示，具有垂直孔道結(jié)構(gòu)的氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的蒸發(fā)性能，BHA-213的蒸發(fā)速率達(dá)2.61 kg m?2 h?1。表面涂覆光熱墨水后，反射率大幅降低，蒸發(fā)速率進(jìn)一步提升至2.89 kg m?2 h?1。材料在多次吸附-解吸循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，顯示出良好的耐久性。

圖5 | （a, b）BHA、ICBHA及其他復(fù)合吸濕材料在1個(gè)太陽下的水蒸氣解吸曲線。（c）BHA和ICBHA的蒸發(fā)速率與解吸率。（d）BHA-213和ICBHA-213的光反射光譜。（e–g）BHA和ICBHA的表面溫度變化。（h）BHA-213在10次循環(huán)中的吸附-解吸循環(huán)穩(wěn)定性。（i）BHA-213在30次循環(huán)中的吸附-解吸循環(huán)穩(wěn)定性。

圖6展示了戶外大氣集水器的實(shí)測結(jié)果。在自然環(huán)境下，該裝置實(shí)現(xiàn)了1.51 L m?2 day?1的日產(chǎn)量，可滿足成人每日飲水需求。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全球產(chǎn)水潛力估算表明，該技術(shù)在除極端干旱地區(qū)外的大部分區(qū)域都具有應(yīng)用前景。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析顯示，該系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性上優(yōu)于瓶裝水，為缺乏傳統(tǒng)供水基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)提供了可行的分散式供水方案。

圖6 | 戶外大氣集水實(shí)驗(yàn)。（a）不同條件下記錄的水吸附量、環(huán)境溫度、裝置溫度、相對濕度和太陽輻照度：（i）從夜晚到早晨，（ii）遮陰日光下，（iii）直射陽光下。（b–d）定制的大氣集水器：1，槽式聚光器；2，太陽能排氣扇；3，集水腔；4，鋁翅片散熱器；5，真空集熱管；6，冷凝水導(dǎo)管；7，BHA氣凝膠；8，抑制熱對流；9，強(qiáng)制對流冷卻。（e）基于BHA的大氣集水器預(yù)估的全球年平均日產(chǎn)水潛力。（f, g）基準(zhǔn)情景下基于BHA的AWH系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析：（f）系統(tǒng)投資成本，（g）以瓶裝水為基準(zhǔn)的投資回收期。

該研究通過結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出具有垂直微流道的高性能生物質(zhì)吸濕氣凝膠，實(shí)現(xiàn)了高效的大氣水分捕獲與太陽能驅(qū)動(dòng)釋放。這項(xiàng)工作突出了微流道結(jié)構(gòu)工程在調(diào)控蒸汽傳輸、水結(jié)合和熱耗散中的重要性，為下一代高效節(jié)能的大氣集水技術(shù)提供了可推廣的設(shè)計(jì)范式，有望在水資源短缺地區(qū)發(fā)揮重要作用。